（控制理论与控制工程专业论文）木材干燥窑自适应解耦控制器的设计与仿真.pdf

摘要 随着人们生活水平和居住条件的提高，人们对木材的需求量不断增加， 对木材的质量要求也越来越高。这就要求我们应加强对木材干燥技术的研 究和发展。 木材干燥系统是一个复杂的多变量系统，由于系统有多个输入和多个 输出，内部结构比较复杂，变量之间的耦合严重。传统的解耦控制器可以 在一定程度上实现解耦控制，但是其在解耦控制器的设计和实现上比较繁 琐，而且解耦精度也依赖于系统数学模型的准确性，很难达到理想的控制 效果。 神经网络与自适应控制的结合，为实现木材干燥的多变量解耦提供了 新酌思路。 本文针对木材干燥过程中温、湿度耦合的现象，提出一种将新的基于 b p 神经网络的p i d 控制器应用于木材干燥控制系统的方案，其结构和学 习算法相对简单，输入层和输出层神经元物理意义明确：它根据设定的某 一控制规律，通过网络的自学习，调整p i d 控制器的比例、积分和微分参 数，从而利用经典的p i d 控制算法得到相应各变量的控制量参与控制，并 在该过程中实现解耦控制，而不用给定样本信号进行在线的学习。最后进 行了解耦仿真，取得了很好的效果。 关键词：干燥窑神经网络 自适应控制解耦m a t l a b 仿真 a b s t r a c k w i t ht h ei m p r o v m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d sa n dl i v i n gc o n d i t i o n s ， t h ed e m a n df o rt h eq u a n t i t ya n dq u a l i t yo fw o o dh a si n c r e a s e dh i g h e ra n d h i g h e r i tw i l lb o o s tt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f w o o dd r y i n ga u t o m a t i c c o n t r o lt e c h n i q u e s w o o dd r y i n g s y s t e m i sa c o m p l e xm u l t i v a r i a n ts y s t e m t h e r e i sa c o m p l e xi n t e r n a l s t r u c t u r ea n dh e a v yc o u p l i n g sa m o n gv a r i a n t sb e c a u s eo f m u l t i i n p u t s a n d m u l t i o u t p u t s t r a d i t i o n a ld e c o u p l i n g c o n t r o l l e rh a sa c a p a b i l i t yo fd e c o u p l i n gc o n t r o l t os o m e d e g r e e ，b u t i t sd e s i g na n d i m p l e m e n t i st r o u b l e s o m ea n dt h ed e c o u p l i n gp r e c i s i o ni sd e p e n d so nt h ee x a c t n e s so ft h e t h es y s t e m sm a t h e m a t i cm o d e l s o ，ag o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c ei sd i f f i c u l tt o b eo b t a i n e d t h e h y b r i do f n e u r a ln e t w o r ka n da d a p t i v ec o n t r o lp r o v i d e san e wi d e af o r d e c o u p l i n gm u l t i v a r i a n t sw o o dd r y i n gc o n t r o ls y s t e m i nt h i sp a p e r , t or e s o l v et h ec o u p l i n gp h e n o m e n ab e t w e e nt e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y i nw o o dd r y i n g s y s t e m ，ab pn e u r a l n e t w o r kb a s e dp i d c o n t r o l l e ri s p r o p o s e da n da p p l i e dt ow o o dd r y i n gs y s t e m t h ea r c h i t e c t u r e a n dl e a r n i n ga l g o r i t h mo ft h ep r o p o s e dc o n t r o l l e ri sm o r es i m p l e ra n dt h e p h y s i c a lm e a n i n g so f t h ei n p u tl a y e r sn e u r o n sa n do u t p u tl a y e r sn e u r o n sa r e e x p l i c i t b a s e do np r e d e f i n e dc o n t r o lr u l e sa n ds e l f - l e a r n i n g ，t h eb p n e t w o r k c h a n g st h es c a l i n gi n t e g r a la n dd i f f e r e n t i a lp a r a m e t e r s ，t h e r e f o r ei s a b l et o c o n t r o lt h ev a r i a n t su s i n gc l a s s i c a lp i dc o n t r o la l g o r i t h m sa n da tt h es a m e t i m e ，d e c o u p l i n gc o n t r o li si m p l e m e n t e da sw e l ld u r i n gt h ec o n t r o lp r o c e d u r e t h e d e c o u p l i n gc o n t r o ld o s e n o tn e e dt h eo n l i n el e a r n i n go ft h eg i v e ns i g n a l s a tt h ee n do ft h ep a p e r ，ad e c o u p l i n gs i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti sc o n d u c t e da n d i th a ss h o w ne f f e c t i v er e s u l t sf o r c o n t r o l l i n gw o o dd r y i n gs y s t e m k e y w o r d s ：d r y i n gk i l n ；n e u r a ln e t w o r k ；a d a p t i v ed e c o u p l i n gc o n t r o l ； m a t l a b ；s i m u l a t i o n 木材干燥窑自适应解耦控制器的设计与仿真 1 绪论 1 1木材干燥技术的现状”1 1 1 1 木材干燥业的发展潜力巨大 据有关专家估计，我国现有设备年干燥能力约4 0 0 万立方米材，只占 2 0 0 0 年需干燥锯材的1 左右，而中等发达国家的干燥设备能力，可达所 需干燥量的3 0 ，美国则高达6 0 。这说明我国干燥设备的能力与发达国 家、中等发达国家相差甚远，同时也说明我国木材干燥工业的发展潜力很 大。 1 ，1 2 国产干燥设备尚有不足之处 据不完全统计，我国具有一定生产规模的，能生产各类干燥设备的生 产厂家约2 0 多个，产品质量能基本满足要求，可替代进口产品，而且某 些性能指标已达国际同类产品的先进水平。现阶段，我国生产的木材干燥 设备与国外的先进设备相比，主要差距在于：( 1 ) 检测和控制系统的精度 差，可靠性差；( 2 ) 加工粗糙，造型不够精美；( 3 ) 蒸汽阀，疏水器等部 件质量差。以上这些问题只要得到相关部门的重视，是完全有能力解决的。 1 1 3 干燥能耗偏高，对环境的污染不容忽视 我国现有的干燥设备中，蒸汽干燥占8 0 以上。而炉气和直火式烟气 干燥则在小型企业中较多。蒸汽干燥以锅炉作供热设备，我国工业锅炉及 其管网的平均热效率只有6 0 ，同时蒸汽干燥的进、排气热损失较大，约 占蒸汽热能的4 0 ，此外还有墙体大门等的散热损失，故使蒸汽干燥的一 次能源利用率般低于3 0 。干燥能耗高，不仅使产品成本增加，而且使 锅炉与干燥室排出的烟尘与废气增多，从而增加了这些有害物质对大气的 污染。以年干燥能力为1 万立方米材的蒸汽干燥车间为例，约需4 吨h 的锅炉台，它每小时排出的有害物质为：烟尘量约4 0 k g ，c o ，1 9 0 0 立 方米，s 0 z ，4 5 立方米，还有少量的n o ，这些物质是造成大气温室效应、 酸雨、和臭氧破坏的主要因素。据有关资料报道，在全球监测网上，对4 0 个颗粒污染最严重的城市排序中，沈阳、西安、北京、上海和广州进入前 l0 名。由于能源对环节的贡献率可达1 0 - 8 0 ，故木材干燥的节能问题必 须予以重视。 1 1 4 陈旧简陋的设备较多，干燥的降等损失严重 目前我国多数中小型( 尤其小型) 木材加工厂，于燥设备陈旧简陋， 操作人员素质低，多数未经专业培训，导致由于干燥不当而引起的木材降 东j e 林业大学硕士学位论文 等损失相当严重，一般大于2 0 ，其中约5 的木材则完全失去使用价值。 据不完全统计，全国这类设备的年干燥总量在1 0 0 万立方米左右，以降等 2 0 计，每立方米材的降等损失按5 0 元计，则直接经济损失在1 0 0 0 万元 以上。以5 木材失去使用价值计，则浪费的森林资源在5 万立方米以上。 1 2 木材干燥技术的发展与创新 1 2 1 国际干燥技术的发展趋势 国际干燥界权威人士、回，) 均t e c h n o l o g y 杂志主编、加拿大的m uj u m d a r 教授曾撰文指出，当今干燥的总目标是：在对产品品质影响最小，不损害 环境和设备投资与运行费用较低的条件下，实现被干物料内最快的水分迁 移。在谈到今后干燥技术的创新时，他指出创新干燥设备与目前常规干燥 设备的主要区别在于：仓q 新干燥设备已由单一的干燥参数( 视为稳定) 的 粗放型，逐渐过渡到由多种干燥设备、不同干燥参数( 非稳态) 下、多级 组合而成的智能型、精确性干燥。这是在干燥观念上的重要突破。 1 2 2 联合干燥技术的应用 联合干燥符合国际干燥技术的创新发展趋势，因为每种干燥方法都有 各自的优点和适用范围，如果吸收不同干燥方法的优点，而避其缺点，就 能取得良好的效果。目前已有除湿与蒸汽联合干燥的应用，但是否达到了 优化组合还值得探讨。 除了上面列举的除湿与蒸汽联合干燥外，今后还可发展真空一除湿， 除湿一微波，气于一蒸汽，太阳能一蒸汽，太阳麓一除湿等各种联合干燥。 1 2 3 开发精确性干燥技术 如前所述，我国目前的干燥水平已基本能满足现阶段的生产要求，但 仍有许多不足之处。在新世纪中的干燥技术需要增加科技含量，由粗放型 向精确性、高科技方向发展，才能跟上时代发展的步伐。木材干燥的精确 性应包括设备、工艺、检测和控制等几个方面： 1 干燥设备 干燥设备的精确性应包括设计与加工精度两个方面。干燥室设计的精 确性应该是建立在干燥室设计数据库的基础上，开发计算机辅助设计，以 替代传统的手工计算，才可能做至0 为每一个具体干燥对象的干燥室“量体 裁衣”，使干燥室的性能尽可能完美。 关于干燥设备加工的精确性，除了需要制定检验设备加工精度的行业 标准外，期望通过市场的竞争，来促使干燥设备的优胜劣汰。 木材干燥窑自适应解耦控制器的设计与仿真 2 干燥工艺 由国家林业局批准发布的锯材窑干工艺规程( l y 一1 1 0 6 8 9 2 ) 和锯材 气干工艺规程( l y 1 1 0 6 9 9 2 ) ，虽已涉及6 0 余种木材，但我国有2 0 0 0 余 种木材，加上天然林禁伐后出现了新的情况，使干燥工艺的研究仍十分艰 巨。今后干燥工艺的研究一方面集中在人工速生材、小径材、难干阔叶林 及进口材的干燥工艺；另一方面则是精确性干燥工艺的研究，它是指在现 有干燥工艺的基础上进一步优化，针对每一种干燥设备中的每一具体干燥 对象，都有一套最佳匹配的工艺方案。 3 干燥参数的检测与控制 木材干燥工艺参数的检测与控制仪表犹如人的眼睛和大脑，直接关系 到干燥的质量和经济效益。以木材含水率的检测为例，目前干燥生产上普 遍采用电阻法，这种检测仪在高含水率( 3 0 ) 和低含水率( 1 0 ) 阶段 测试误差都很大。于是生产上对干燥质量要求高的的木材，一般采用比预 定的终含水率降低1 至2 个百分点，即用延长干燥时间的办法来保证干燥 质量。以某除湿干燥窑的生产为例，干燥1 立方米材每天的平均能耗为 6 k w h ，终含水率降低1 至2 个百分点至少需要1 0 k w h 的能量，加上工 人的工资、管理等费用，每立方米材的干燥成本大约要增加1 0 元左右。 由此看出高精度的检测与控制系统的重要性。 1 2 4 千燥供热设备燃烧技术的改进 众所周知，太阳能、电能是清洁能源。但我国目前仍然以蒸汽干燥为 主，其次是利用工厂木废料的炉气及简易直火式烟气干燥。这些供热设备 对大气造成的污染十分严重，因此在新的世纪必须逐渐采用新的洁净燃烧 技术对现有污染严重的燃烧设备给予治理。 煤或木废料的气化、液化是一种洁净燃烧技术，早在十几年前虽然已 经有少数工厂采用发生炉煤气作为干燥介质，但至今未能很好推广的原因 除干燥室设计不合理外，煤气发生炉的安全性及火灾隐患未能圆满解决是 主要的因素。据了解，近来北京及外地一些单位对燃料的气化燃烧技术已 有较大的改进。例如东北电力学院孙健教授研制的煤洁净燃烧技术已在吉 林、山东、辽宁等有数百余台锅炉中推广使用，效果很好。这项技术在理 论和结构上都有创新，它将煤气发生炉与层燃炉有机结合，在一个炉膛内 一并完成，还附有炉内除尘功能。它的锅炉热效率可达8 2 ，除尘效果则 符合国家环保标准c w p b 一1 9 9 9 中的一类地区要求。 4东北林业大学硕士学位论文 1 2 5 创新需要加强基础理论研究 干燥理论的基础研究是产生高新技术的基石和摇篮。中国科学院院长 路甬祥在分析百年诺贝尔奖金规律后指出，近几十年科学发展的中心已向 美国的原因之一在于，美国重视基础研究，有充裕的研究经费和优越的研 究条件。 木材干燥技术的进步要实现质的飞跃，必须依赖于基础理论的研究， 我国在这方面的研究尚处于起步阶段，其研究经费与人员与国外发达国家 相比，相差甚远。大约只有发达国家的0 2 。为解决研究经费的不足，今 后除希望增加国家投资外，还希望一些有远见的干燥设备生产厂与有关的 高等院校和科研院所合作，搞一些有应用前景及当前急需解决的技术疑点 与难点的基础研究。 由于木材干燥的快慢和木材内的水分迁移及热量传递速率有关。而木 材干燥的质量与木材内的应力及分布情况有关。因此，今后木材干燥的基 础研究可能涉及以下几个方面。1 ： ( 1 ) 木材内水分传递与热量传递( 简称热质传递) 的机制和规律。 重点是吸着水的传递机理及推动势，以及不同干燥参数下的热质传递规律 及木材表面水分的蒸发特性。 ( 2 ) 建立木材干燥的各种数学模型。由于木材干燥属于超细微结构 的非稳态传热传质过程，加上木材结构又具有多样性、变异性，因此要建 立一个理想的符合实际干燥过程的数学模型十分困难。通常为便于研究要 对建模条件进行简化，这种简化常常会带来误差。有的模型如热、质耦合 传递型、应力分布型、干燥过程优化控制型、模糊控制及智能控制型等， 都有不够完美之处。进一步发展可能要用人工神经网络技术来建立数学模 型，因为普通的数学模型最多只能反映2 3 个因变量，而人工神经网络技 术则能将多个自变量映射到多个因变量，因此特别适合于复杂的木材干燥 过程。 ( 3 ) 干燥过程木材内的应力分布，以及外界条件对应力分布的影响 规律。 ( 4 ) 木材干燥中脱色、脱脂等其它问题。 1 3 本文的研究内容、目的和意义 本主要研究的内容有：消化、吸收和应用自动控制理论、自适应理论、 神经网络及解耦理论问题；了解、掌握木材干燥技术的现状与发展趋势， 木材干燥窑自适应解耦控制器的设计与仿真 选择适合于木材干燥过程的解耦方法，达到解耦的效果。 在研究的过程中，无论在理论探讨还是将之应用于实际，本文始终坚 持紧密结合我国木材干燥技术的实际情况、以解决木材干燥过程中存在的 控制问题为出发点，紧紧抓住木材干燥系统中存在的大滞后、特性时变、 非线性、强耦合等特点，着手于解决干燥过程中各参数之间容易出现的耦 合控制问题，尤其是温、湿度之间的耦合问题，设计一个神经网络p i d 解 耦控制器，最后进行了仿真研究，效果很好。 目前为止，国内将神经网络解耦控制器应用于木材干燥系统的文献记 载很少，本论文的研究方向很有价值，成功与否都是对木材干燥工业技术 的完善与补充。进而推进我国木材干燥工业的发展，加快在全国实现木材 干燥的全自动控制的速度，推动与国际接轨的进程。 6 东北林业大学硕士学位论文 2 自适应控制 2 1 自适应控制 2 。1 1 自适应控制的定义盼3 自适应控制有许多不同的定义，到目前为止尚未统一，争论也比较 多，许多学者提出的都是同具体的自适应控制系统类型相联系的。有些定 义比较流行，概念也清楚，下面加以介绍，以供参考。 1 9 6 2 年g i b s o n 提出一个比较具体的自适应控制定义：一个自适应 控制系统必须提供出被控对象当前状态的连续信息，也就是辨识对象；它 必须将当前系统性能与期望的或最优的性能相比较，并作出使系统趋向期 望或最优性能的决策；最后，它必须对控制器进行适当的修正，以驱使系 统走向最优状态。这三方面功能是自适应控制系统所必须具备的功能。 1 9 7 4 年法国学者l a n d a u 也提出了一个针对模型参考自适应控制系 统的自适应控制定义：一个自适应系统，将利用其中的可调系统的各种输 入状态和输出来度量某个性能指标；将所测得的性能指标与规定的性能指 标相比较；然后，由自适应机构来修正可调系统的参数或者产生一个辅助 的输入信号，以保持系统的性能指标接近于规定的指标。定义中提到的可 调系统一般有被控对象和调节器组成，它还可以通过修改它的内部参数或 输入信号来调整其性能。 综合以上定义可知，自适应控制系统应该有如下功能： ( 1 )在线进行系统结构和参数的辨识或者系统性能指标的度 量，以便得到系统当前状态的改变情况： ( 2 )按一定的规律确定当前的控制策略： 图2 1 自适应控制系统原理图 木材干燥窑自适应解耦控制器的设计与仿真 ( 3 )在线修改控制器的参数或可调系统的输入信号。 由这些功能组成的理论性自适应控制系统如图2 一l 所示。它由性能 指标( i p ) 的测量，性能指标的比较与决策、自适应机构，以及可调系统 组成，它的功能完全符合自适应控制定义所要求的指标。 2 1 2 自适应控制的主要理论问题 无论是时不变线性系统，还是时变非线性系统，它们与自适应机构所 构成的自适应控制系统都是非线性时变系统，分析这类系统的性能是很困 难的。它的收敛性一直是控制领域的理论难题，至今还存在一些理论问题 有待于解决。下面就自适应控制的稳定性、收敛性、鲁棒性及性能指标等 方面简单论述目前自适应控制理论的发展状况。 1 稳定性 稳定性问题是一切控制系统的核心问题。因此，设计自适应控制系统 应以保证系统全局稳定为原则。目前，对于确定性线性时不变系统的模型 参考自适应控制，常常借助于李雅普诺夫稳定性理论和波波夫超稳定性理 论等数学工具导出自适应控制律，这样设计的自适应控制系统无疑是稳定 的。但是，对于随机系统或非线性系统的模型参考自适应控制的稳定性研 究，进展极为缓慢。况且，随着模型参考自适应控制的发展，各种各样的 自适应控制律会不断诞生，要保证系统全局稳定也很困难，特别是因为系 统是本质非线性时变的，故当系统存在未建模动态或随机干扰，要证明自 适应控制系统的稳定性就更困难了。 2 收敛性 自从a s t r o m 和w i t t e n m a r k l 9 7 3 年首次提出自校正调节器以来，各种 自校正方案相继问世。由于自校正控制通常采用离散随机数学模型，借助 于递推算法估计对象参数，因此对于这类算法首要的问题是保证算法能收 敛到预期的值。由于这类递推自校正控制系统也是非线性、时变、随机的， 故分析这类递推算法的收敛性也很困难。自较正控制系统的收敛性一直是 控制界公认的理论难题。2 0 世纪7 0 年代末鞅理论在随机系统中的成功应 用，以及s t e r n b y ，s o l o 和g o o d w i n 等的开创性工作，表明随机时不变系 统自校正控制的收敛性研究取得了突破性的进展。 鞅理论是研究非线性、时变、随机系统的稳定性和收敛性的有效数学 工具。鞅收敛定理是罗宾斯一西格蒙德( r o b b i f i s s ie g m u n d ) 1 9 7 1 年提出 的，它相当于李雅普诺夫稳定性理论在随机时不变系统中的应用。 8 东北林业大学硕士学位论文 虽然理论上已经证明了随机线性时不变系统自校正控制系统具有良 好的收敛性，但是实际系统一般工作在线性区域内，控制量的幅值有上下 限约束，况且控制量幅度过大在工程上是不允许的，因为它会损坏设备或 对系统产生大的冲击( 实际系统希望无扰控制) 。因此，控制量幅值受限 和对控制量的变化率约束时的自校正控制系统的稳定性仍是今后的研究 难题，这也许是影响自校正控制广泛应用的原因之一。 对于时不变系统估计算法而言，只要参数估计收敛于一个常数( 不一 定是参数真值) ，那么自校正控制器就收敛于一个定常控制器。对于时变 系统而言，其参数估计不可能收敛于一个常值，因而即使对于时不变系统， 由遗忘因子最小二乘法构成的自校正控制的收敛性也难以证明，这也许正 是时变系统自适应控制的收敛性证明的困难所在。 3 鲁棒性 目前，模型参考自适应系统一般都是针对被控对象结构已知而参数未 知的情况进行设计的，而实际被控对象结构往往难以确切知道，所获得的 对象特性中常常未能包括系统的难以描述的寄生高频成分，即未建模动 态。计算机仿真表明，这种未建模动态可能引起自适应控制系统的不稳定， 关键原因在于自适应控制系统是非线性时变的，而对于线性反馈控制系 统，只要设计的系统有足够的稳定裕量，这种未建模动态是不至于破坏系 统稳定性的。这就提出了自适应控制的鲁棒性问题。 4 性能指标 个自适应系统能很好地工作，不仅要求所设计的系统稳定，而且还 要满足一定的性能指标要求。由于自适应控制系统是非线性时变系统，初 始条件的变化或未建模动态的存在都势必要改变系统的运动轨迹，因此， 分析自适应控制系统的动态品质是极其困难的。目前，这方面的成果还很 少见。 2 1 3 自适应控制系统的类型 自适应控制系统有两类，一类是模型参考自适应控制系统( m o d e l r e f e r e n c ea d a p t i v ec o n t r o ls y s t e m ，m r a c s ) ，或模型参考自适应系统 ( m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e m ，m r a s ) ；另一类是自校正控制系统 ( s e l f - t u n i n g c o n t r o l s y s t e m ) ，这类自适应系统的一个主要特点是在 线( o n l i n e ) 辨识对象数学模型的参数，进而修改控制器的参数。 2 1 3 1 模型参考自适应控制系统 木材干燥窑自适应解耦控制器的设计与仿真 模型参考自适应控制系统的典型模型如图2 2 所示。 试验 信号 图2 2 模型参考自适应控制系统的结构 在这个系统中，采用了一个称为参考模型的辅助系统。加到可调系统 的参考输入r 同时也加到这个参考模型输入端，参考模型的输出或状态可 以用规定的或期望的性能指标设计。为了比较规定的性能指标和可调系统 实测的性能指标，可用减法器将参考模型和可调系统的输出或状态直接相 减，得到广义误差信号e 。自适应机构按一定的准则利用广义误差信号来 修改可调系统的调节器参数，或产生一个辅助输入信号，使广义误差的某 一个泛函指标达到极小。当可调系统特性与参考模型特性渐进逼近，广义 误差就趋于极小或下降为零，调节过程结束。 2 1 3 2 自校正控制系统 自校正控制系统的典型结构如图2 3 所示。这类系统的特点是必须 图2 - 3 自校正控制系统的结构 对过程或被控对象进行在线辨识( 递推参数估计) ，然后用过程参数o ( t ) 估计值和事先规定的性能指标，在线地综合出调节器的控制参数e 。( t ) ，并 根据此控制参数产生控制作用对被控对象进行控制。经过多次的辨识和综 1 0 东北林业大学硕士学位论文 合调节参数，使系统的性能指标逐渐地趋于最优。 此类自适应控制系统设计方法的理论基础为系统辨识和随机最优控 制系统。 2 2 基于非参数模型的自适应控制1 智能控制( i n t e l l i g e n tc o n t r o l i c ) 是一门新兴的理论和技术，它 是传统控制发展的高级阶段，主要用来解决那些用传统方法难于解决的 复杂系统的控制，其目的是提高系统的鲁棒性、容错性和解决具有严重 非线性和不确定性系统的控制问题。在应用方面，其研究重点集中在智 能控制元件、系统的智能控制方法和智能控制器的实时实现方面。非参 数控制器的设计不需要在线辨识被控系统的模型参数，对中、高阶的被 控过程而言，不宜用参数控制方法进行控制，而非参数控制只需辨识被 控系统的某些特征值，因而它的一个最大的优点是不受被控系统模型阶 数的制约，计算机在线计算的工作量也很小，从而它的实时性较强。 2 2 1数字p id 控制 数字p i d 控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，在冶金、 机械、化工等行业中获得广泛应用。 2 2 1 1p i d 控制原理 在模拟控制系统中，控制器常用的控制规律是p i d 控制。常规p i d 控 制系统原理框图如图2 1 所示。系统由模拟p i d 控制器和被控对象组成。 图2 1模拟p id 控制系统原理框图 p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值r ( t ) 与实际输出值c ( t ) 构成控制偏差 e ( t ) = r ( t ) 一c ( t )( 2 1 ) 将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 、微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对控制 对象进行控制，故称p i d 控制器。其控制规律为 木材干燥窑自适应解耦控制器的设计与仿真 砸椭卜+ 扣m + 半j z ， 或写成传递函数形式 盼鬻靠，l 专哪j s ， 式中k 。比例系数； 正积分时间常数； l 微分时间常数。 简单说来，p i d 控制器各校正环节的作用如下： 1 比例环节及时成比例地反映控制系统的偏差信号e ( t ) ，偏差 一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。 2 积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用 的强弱取决于积分时间常数乃，正越大，积分作用越弱，反之则越强。 3 微分环节能反映偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，并能在偏 差信号值变大之前，在系统中引入有效的早期修正信号，从而加快系统的 动作速度，减小调节时间。 2 2 1 2 数字p i d 控制算法 在计算机控制系统中，使用的是数字p i d 控制器，数字p i d 控制算法 通常又分为位置式p i d 控制算法和增量式p i d 控制算法及其它一些改进的 p i d 算法。 1 位置式p i d 控制算法 由于计算机控制是一种采样控制，它只是根据采样时刻的偏差值计算 控制器，因此( 2 - 2 ) 式中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散 化处理。按模拟p i d 控制算法的算式( 2 - 2 ) ，现以一系列的采样时刻点k t 代表连续时间t ，以和式代替积分，以增量代替微分，则可作如下近似变 换： t zk t ( i = 0 , 1 ，2 ，) 扣hz 丁圭彤丁) ：r 壹旬) y = oj = o d e ( t ) 。型旦二! 吆二! 幽：型 dt e ( k 1 ) ， ( 2 4 ) 1 2东北林业大学硕士学位论文 式中t 一一采样周期。 显然，上述离散化过程中，采样周期t 必须足够短，才能保证有足够的精 度。将( 2 - 4 ) 式代入( 2 - 2 ) 式，可的离散的p i d 表达式： 瑙 知) 专m h ( k - ，) 】5)i j = o “( 七) = 廓 p ( ) + 争e ( ，) + 等k ( | j ) 一p1 ) 】 2 5 ) i 1 j 或 “( 七) = 世，e ( 七) + k ，宅e ( ) + k o e c k ) 一p ( 一1 ) 1 ( 2 6 ) 式中k 一一采样序号，k = 0 , 1 2 ； “( 七) 一一第k 次采样时刻的计算机输出值； e ( k 卜一一第k 次采样时刻输入的偏差值： p ( _ 】 一1 ) 一一第k 一1 次采样时刻输入的偏差值： 巧一一积分系数，k z = 砗r 巧； 一一微分系数，k v = k ，r 。 由z 变换的性质 z k ( 七一1 ) 】_ z - 1 e ( z ) z 盼j = 0 ， - 等 ( 2 - 6 ) 式的z 变换式为 ) = 即( z ) + 巧等+ 屹陋( 加z 。1 酢) 】 ( 2 由( 2 - 7 ) 式便可得到数字p 1 d 控制器的z 传递函数为 g = 器= 砗+ 刍+ p 】 ( 2 - 8 ) 或者 g ：古k ，( 1 - z - 1 ) 蝎+ 岛( 1 可1 】 ( 2 - 。) 数字p i d 控制器如图2 - 2 所示。由于计算机输出的u ( k ) 直接去控制执行机 构( 如阀门) ，u ( k ) 的值和执行机构的位置( 如阀门开度) 是一一对应的， 所以通常称( 2 - 5 ) 式或( 2 - 6 ) 式为位置式p i d 控制算法。图2 - 3 给出了 位置式p i d 控制系统示意图。 木材干燥窑自适应解耦控制器的设计与仿真 i3 图2 - 2 数字p ld 控制器的结构图 图2 - 3 位置式p i d 控制系统 这种算法的缺点是，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关， 计算时要对e ( 七) 进行累加，计算机运算工作量大。而且，因为计算机输出 的u ( k ) 对应的是执行机构的实际位置。如计算机出现故障，u ( k ) 的大幅度 变化，会引起执行机构的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许 的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产生增量式p i d 控制 的控制算法。所谓增量式p i d 是指数字控制器的输出，只是控制量的增量 a u ( k ) 。 2 增量式p i d 控制算法 当执行机构需要的是控制量的增量( 例如驱动步进电动机) 时，可由 ( 2 - 6 ) 式导出提供增量的p i d 控制算式。根据递进原理可得 u ( k 一1 ) = k p e ( k - 1 ) + 巧e ( j ) + k d e ( k 一1 ) - e ( k 一2 ) 】 ( 2 - 1 0 ) 用( 2 - 6 ) 式减去( 2 1 0 ) ，可得 幽篡k尼；：掰匕鲁茹姥薪。1卜“肛2妇(2-11)ae(ka e ( k= 砟) + 巧8 ( 七) + k 0 【g ( 七) 一一1 ) j ( 2 1 1 ) 式称为增量式p i d 控制算法。图2 - 4 给出了增量式p i d 控制系统 示意图。 1 4 东北林业大学硕士学位论文 图2 - 4 增量式p id 控制系统 可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期t ，一旦确 定了k ，、k ，、世。，只要使用前后3 次测量值的偏差，既可由( 2 1 1 ) 式 求出控制增量。 采用增量式算法时，计算机输出的控制量a u ( k ) 对应的本次执行机构位 置( 例如阀门开度) 的增量。对应实际阀门位置的控制量，即控制量的积 累需要采用一定的手法来解决。例如用有积累作用的元件( 如步进电机) 来实现；而目前较多的是利用算式u ( k ) = “( | j 一1 ) + a u ( k ) 通过执行软件来完 成。 增量式控制的优点： ( 1 ) 由于计算机输出增量，所以误动作是影响小，必要时可用逻辑判 断的方法去掉。 ( 2 ) 手动自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算 机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故能仍然 保持原值。 ( 3 ) 算式中不需要累加。控制增量a u ( k ) 的确定与最近k 次的采样值 有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。 但增量式控制也有其不足之处：积分截断效应大，有静态误差；溢出 的影响大。因此，在选择时不可一概而论，一般认为在以晶闸管作为执行 器或在控制精度要求高的系统中，可采用位置控制算法，而在以步进电动 机或电动阀门作为执行器的系统中，则可采用增量式控制算法。 2 2 2 自适应p i d 控制“”“” 在控制理论和技术飞速发展的今天，p i d 控制由于其简单、稳定性好、 可靠性高等优点，仍有其强大的生命力。p i d 控制器广泛应用于冶金、机 械、化工等工业过程控制之中。在p i d 控制中，一个关键的问题便是p i d 参数的整定。传统的方法是在获取对象数学模型的基础上，根据某一整定 木材干燥窑自适应解耦控制器的设计与仿真 原则来确定p i d 参数，然而在实际的工业过程控制中，许多被控过程机理 较复杂，具有高度非线性、时变不确定性和纯滞后等特点。在噪声、负载 扰动等因素的影响下，过程参数，甚至模型结构，均会发生变化。这就要 来求在p i d 控制中，不仅p i d 参数整定不依赖于对象数学模型，并且p i d 参数能在线调整，以满足实时控制的要求。自适应p i d 控制将是解决这一 问题的有效途径。 自适应控制思想与常规p i d 控制器相结合，形成了所谓自适应p i d 控 制或自校正p i d 控制技术，人们统称为自适应p i d 控制。自适应p i d 控制 吸收了自适应控制与常规p i d 控制器两者的优点。首先，它是自适应控制 器，就是说它具有自动辨识被控过程参数、自动整定控制器参数、能够适 应被控过程参数的变化等优点；其次，它又具有常规p i d 控制器结构简单、 鲁棒性好、可靠性高、为现场工作人员和设计工程师们所熟悉的优点。自 适应p i d 控制具有的这两大优势，使得它成为过程控制的一种较理想的自 动化装置，成为人们竞相研究的对象和自适应控制发展的一个方向。 自适应p i d 控制器可分为两大类。一类基于被控过程参数辨识，统称 为参数自适应p i d 控制器，其参数的设计依赖于被控过程模型参数的设计。 另一类基于被控过程的某些特征参数，诸如临界振荡增益眨、临界振荡频 率以等。这种类型的自适应p i d 控制器没有一个统一的名称，姑且称为非 参数自适应p i d 控制器。非参数自适应p i d 控制器控制参数的设计直接依 赖于过程的特征参数和一些工程上常用的经验整定规则。 2 2 2 1 参数自适应p i d 控制 1 极点配置自适应p i d 控制器 极点配置自适应控制算法由w e l l s t e a d 等人在1 9 9 7 年首先提出，经 后人改进和深化，成为自适应控制中的一个重要组成部分，w i t t e n m a r k 和a s t r o m 等人在此基础上提出了极点配置自适应p i d 控制算法。s u p a r d i 、 t j o k r o 等人，针对具有求知或时变的纯滞后时间和可以测量的干扰噪声的 被控系统，提出了极点配置自适应p i d 控制算法，对此又有了进一步的发 展。 极点配置自适应p i d 控制器设计的步骤： ( 1 ) 确定期望系统闭环极点位置。 ( 2 ) 在线估计、辨识系统参数。 ( 3 ) 计算控制器参数。 1 6 东北林业大学硕士学位论文 ( 4 ) 计算控制律。 由于极点配置自适应p i d 控制器具有计算量较小、鲁棒性较强，且适 合与非最小相位系统等优点，所以它是一种较为实用的控制方法，在低阶 过程控制中尤为实用。不过，极点配置自适应p i d 控制器的动态性能的优 劣依赖于极点位置考虑得正确与否，而极点位置的配置又带有试凑性质， 因而也具有它的不足之处。 2 相消原理自适应p i d 控制器 利用控制器传递函数中的零、极点抵消被控系统传递函数的某些零、 极点，从而整个闭环系统工作在期望的状态上，这就是利用相消原理设计 控制器的基本思想。为了获得p i d 控制器的结构，利用这种原理设计控制 器时，要求被控系统必须是二阶加纯滞后系统。w i t t e n m a r k 和a s t r o m 首 先给出了基于相消原理的参数自适应p i d 控制算法，以后有了进一步的发 展，提出了能适应非最小相位裕度和任意稳定增益裕度的自校正p i d 控制 算法，并将算法在实践中进行了验证。 用相消原理大批量设计自适应p i d 控制器，具有原理简单、计算工作 量小、容易在工程上实现等优点。匈牙利科学院与布达佩斯大学利用这种 原理做成了i n t e l l c o n 多回路自适应控制器。不过，该方法对于被控过程 模型有较强的限制，因而不能应用于复杂控制和高性能要求的控制对象。 3 基于二次型性能指标的自适应p i d 控制器 预想获得参数优化的自适应p i d 控制器，最通用的方法是极小化某一 个二次型指标函数。这种方法比较正规、系统，理论性较强，对不同的性 能指标函数有不同的参数最优解，因此一直受到人们的重视。s o n g 等人在 1 9 8 3 年提出了一种鲁棒性自适应反馈控制器的设计方法，这种控制器在结 构上和数学上均等价于常规p i d 控制器。其算法的最大特点在于用鲁棒性 概念设计控制器，并能保证在有界噪声和不可测扰动存在的情况下控制误 差是稳定和收敛的。f r a d k e 和r i s e r m a n n 在1 9 8 4 年提出了名为参数逐 步优化的自适应p i d 控制算法，解决了时域和频域中该种控制器的设计问 题。他们提出的算法特点是，能使p i d 控制器参数在线逐步优化，从而使 整个系统的动态性能渐进最优化。a h o l m e 在1 9 8 4 年从另一种角度用二次 型性能指标函数方法设计了一种参数自适应? i d 控制器，这种方法的实时 收敛性较强，其不足之处是不能应用于非最小相位的过程控制中。 2 2 2 2 非参数模型( 基于过程特征参数) 的自适应p i d 控制 木材干燥窑自适应解耦控制器的设计与仿真 1 7 非参数自适应控制器的设计不需要在线辨识被控系统的模型参数，从 而避免了许多麻烦问题。自适应控制中的在线辨识占去了大部分计算机的 工作时间，而且存在闭环可辨识性问题。因此，对中、高阶的被控过程而 言，不宜用参数自适应p i d 控制方法进行控制。但非参数自适应p i d 控制 就不同了，它只辨识被控系统的某些特征值，因而它的一个最大优点是不 受被控系统模型阶数的限制，计算机的在线计算工作量也很小，从而它的 实时性较强，有许多种用被控系统的特征值来整定p i i ) 控制器参数的方法， 但其基本方法不外乎从被控系统的阶跃响应中提取特征值和从被控系统 临界振荡状态中提取特征值再整定控制器参数两种方法。下面列举四种非 参数模型的p i d 自适应控制系统。 1 p i d 继电自整定与神经网络相结合的自适应p i d 控制系统”1 图2 - 5p i d 继电自整定与神经网络相结合的p i d 自适应控制系统 如图2 5 所示，p i d 继电自整定与神经网络相结合，共同完成了p i d 自适应控制任务，以神经网络构造p i d 控制器，解决了p i d 参数在线调 整的问题，使p i d 控制器适用范围更广。以继电自整定p i d 参数确定网络 权的初值，使过程相应超调量降低，恢复时间减短，控制质量提高。实施 控制时，现将开关s 置于t 处，进行p i d 参数整定，将所得的参数适当地 修正后作为网络权的初值，然后将开关s 置于v 处，进入系统自适应控制。 p i d 继电自整定： 基于继电反馈的p i d 参数自动整定，是目前应用最多的一种p i d 自动 整定方法，该方法用继电特性的非线性环节代替z i e g l e l 一n i c h o l s 法中的 纯比例器，使系统出现极限环，从而获得所需的临界值。设继电器特性幅 值为d ，继电器滞环宽度为h ，且被控过程的广义对象传递函数为g ( s ) ， 东北林业大学硕士学位论文 用n 代表非线性元件的描述函数，则对理想的继电器型有 ：竺么o( 2 - 1 2 ) 对于具有滞环的继电器型非线性有 = 忑4 d - a r c s i n ( 2 - 1 3 ) 嬲a 式中a 一一继电器非线性环节输入的一次谐波振幅。 只要满足方程 g ( ，国) = 一万1 ( 2 1 4 ) 则系统输出将出现极限环。得到的临界增益k 为 ：一4 d